Фізична активність і мозок

Фото: Syda_Productions / ru.depositphotos.com

Навіщо ми займаємося бігом, аеробікою, плаванням? Щоб краще виглядати, скинути зайву вагу, щоб судини і серце були в порядку… І навряд чи хтось ходить у фітнес-клуб, щоб поліпшити пам’ять або увагу. Але ж давно відомо: фізичні вправи благотворно впливають не тільки на тіло, а й на психіку. Здавалося б, все очевидно: якщо людина не зловживає сидячим способом життя, вона менше хворіє, і мозку від цього тільки користь. Але зв’язок між фізичними вправами і психічними функціями, як показали дослідження останніх років, може бути більш тісним і безпосереднім.

Досліджень тут маса. Наприклад, в оглядовій роботі, опублікованій в British Journal of Sports Medicine кілька місяців тому, стверджується, що вікові погіршення в когнітивних функціях у людей старше п’ятдесяти років можна загальмувати за допомогою систематичної фізичної активності. Літні люди, які займаються аеробікою в поєднанні з вправами на опір, краще справляються з психологічними тестами, в яких потрібно швидко перемикатися з одного завдання на інше, тактично мислити, зосереджуватися і активно використовувати робочу пам’ять (так називають відділ пам’яті, що працює з актуальною інформацією; детально про те, що таке робоча пам’ять і як вона працює, див. «Науку і життя» № 7, 2017). Людей старшого віку залучають до таких досліджень з цілком зрозумілих причин: з віком мозок природним чином слабшає, і тому стає простіше оцінювати фактори, які гальмують цей процес. Однак схожі дані є і для молодих людей, і навіть для дітей. Так, у статті в журналі Medicine & Science in Sports & Exercise (квітень 2017 року) йдеться, що у дітей віком від 9 до 11 років фізична підготовка і хороша робоча пам’ять йдуть рука об руку: якщо у дитини розвинені м’язи, то і тести на пам’ять він буде виконувати добре і, що важливо, демонструвати успіхи в навчанні. (Все це, звичайно, сильно розходиться зі звичним уявленням про дурнувату шкільну силачу і розумне, але хіле «ботаніку».)

У статті в журналі Neurology за 2016 рік зазначалося, що різниця в біологічному віці мозку між тими, хто регулярно займається фізичними вправами, фітнесом, спортом, і тими, хто фізично не активний, може становити цілих десять років. Водночас важливо, що саме людина робить. Кілька років тому дослідники з університету Піттсбурга (США) порівняли, як протягом року змінювався стан мозку у літніх людей, які або ходили тричі на тиждень на пішу прогулянку швидким кроком (досить тривалу — від 30 до 45 хвилин), або виконували вправи на розтяжку. Виявилося, що у тих, хто гуляв, деякі області префронтальної кори і гіпокампа, що відповідають за планування і пам’ять, збільшилися в розмірах. Збільшення було невелике, всього 2-3%, і все ж його вистачило, щоб перекрити вікове «з’їджування» мозку. Учасники експерименту показали хороші результати і в тестах на просторову пам’ять. У тих же, хто протягом року робив розтяжки, гіпокамп продовжив зменшуватися, як це зазвичай і відбувається в літньому віці.

Є відомості, що фізична активність допомагає зменшити когнітивні порушення при шизофренії і при хворобі Паркінсона; зокрема, у хворих на шизофренію за кілька місяців цілком помірних вправ на 12% збільшувався гіпокамп. Нарешті, ті, хто займається спортом, прекрасно знають, що фізичні вправи знімають стрес і дають відчуття легкої ейфорії.

Словник

Синапс — з’єднання між двома нейронами або між нейроном і якоюсь іншою кліткою, де відбувається передача нервового імпульсу за допомогою речовин-нейромедіаторів різної природи.

Гіпокамп — область мозку, що відповідає за короткочасну пам’ять і перетворення її на пам’ять довготривалу. Крім того, гіпокамп забезпечує орієнтацію в просторі і бере участь у формуванні емоцій.

Префронтальна кора — відділ кори великих півкуль головного мозку, що являє собою передню частину лобових часток. Префронтальна кора надзвичайно тісно пов’язана з більшістю структур мозку, а її основна функція — управління мисленням в цілому і регуляція поведінки відповідно до внутрішніх мотивів і планів.

Але чому все це відбувається? Чому завдяки фізичній активності зникає стрес, поліпшується пам’ять, збільшуються якісь області мозку? Тут є кілька пояснень. Почнемо з емоцій і стресу.

Вважається, що почуття ейфорії, що виникає після тривалого фізичного навантаження, з’являється завдяки ендоканнабіноїдам — нейромедіаторним молекулам, які синтезуються в мозку і діють на нейрони різних нервових центрів. Ендоканнабіноїди мають багато функцій: вони беруть участь у регуляції апетиту, впливають на пам’ять, навчання та емоції і, крім того, служать своєрідним внутрішнім знеболювальним, до якого мозок вдається в самих різних випадках. Фізичні вправи стимулюють викид нейромедіаторів, що знижують тривожність і викликають легке почуття радості.

Але є й інші антистресові механізми, які включаються при заняттях спортом. Відомо, що стрес і депресія викликають атрофію нейронів і синапсів: зв’язки між нервовими клітинами слабшають і рвуться, а нові не утворюються. Нервова клітина стає «неконтактною» і непотрібною, загальна різноманітність нервових ланцюжків зменшується, а зменшення числа нервових контурів у свою чергу позначається на когнітивних здібностях і на вмінні знаходити вихід із важких ситуацій. Два роки тому дослідники університету Джорджії (США) показали, що у щурів, які ведуть активний спосіб життя, нейрони успішно опираються стресовому ефекту, зберігаючи здатність формувати все нові і нові клітинні контакти. І відбувається це завдяки нейропептиду галанину, рівень якого помітно збільшується після фізичних вправ і збільшується якраз в зонах мозку, що відповідають за боротьбу зі стресом. Антистресовий ефект «фітнесу», забезпечений галанином, проявлявся і в поведінці щурів: тварини, незважаючи на неприємні обставини, які їм влаштовували в експерименті, були активні і цікаві — іншими словами, не дуже переживали через неприємності і не тонули в стресі.

Якщо говорити про когнітивні функції і про збільшення деяких зон мозку, то одне пояснення напрошується само собою: адже вправи змушують серце частіше битися, отже, в мозку поліпшується кровопостачання і він починає працювати краще. На користь такої гіпотези говорять результати дослідників з Техаського університету в Далласі (США): у 2013 році вони опублікували в журналі Frontiers in Aging Neuroscience роботу, в якій стверджували, що фізичні вправи стимулюють кровопостачання задньої поясної кори і гіпокампа. І там і там посилювався обмін речовин і підвищувалася активність нейронів. Учасники експерименту, які регулярно вправлялися в спортзалі, краще проходили тести на пам’ять, причому зміни відбувалися саме в такій послідовності: спочатку поліпшувався кровотік, потім — «когнітивка».

Але кров — це ще не все. Клітини в нашому тілі самі по собі не ростуть, їм потрібні молекулярні сигнали — спеціальні білки, які діють на клітинні рецептори, підштовхуючи клітини до тих чи інших дій. Білки, що стимулюють зростання і розвиток нейронів, називаються нейротрофінами, і найактивніший серед них — BDNF (brain-derived neurotrophic factor, нейротрофічний, або нейротропний, фактор мозку). BDNF включає гени, що контролюють зростання нервових клітин і формування нових синапсів, а значить, і нервових ланцюжків, і він особливо активний в гіпокампі і корі, тобто в областях, що відповідають за навчання і пам’ять. Було помічено, що і у тварин і у людини рівень BDNF різко зростає при фізичних вправах, що зі стрибком BDNF відбувається приріст гіпокампу і поліпшення когнітивних функцій. Експерименти на мишах показали: рівень сигнального білка залишається високим ще протягом декількох днів після «фітнесу». У 2013 році в журналі Cell Metabolism вийшла стаття, автори якої описували ланцюжок сигналів від м’язів до мозку. Дослідникам вдалося визначити білок, що виділяється з працюючих м’язів, який, діючи через кілька посередників, дає сигнал спеціальним клітинам мозку синтезувати цей самий BDNF. Тобто м’язи самі по собі дають мозку стимулюючий сигнал.

Цікаво, що по одній з гіпотез людський мозок еволюціонував у міру того, як людина ставала фізично більш витривалою. Відомо, що у більш витривалих тварин мозок більший, ніж у менш витривалих (зрозуміло, якщо ми порівнюємо тварин приблизно однакового розміру). З іншого боку, є експерименти з розмноження гризунів- «атлетів». Особин, які невтомніше за інших бігали в біличому колесі, неодноразово схрещували між собою, і в результаті у нащадків з’являлися цікаві молекулярні особливості — у них підвищувався рівень різноманітних ростових факторів, включаючи BDNF. У 2012 році в журналі Proceedings of the Royal Society Biology B з’явилася стаття з описом наступного варіанту розвитку подій. Коли наші предки почали полювати, найбільш вдалими виявлялися ті, хто міг довго і наполегливо бігти, переслідуючи поранену здобич. Очевидно, найвитриваліші особини отримували еволюційну перевагу: вони краще харчувалися, приносили здобич групі, користувалися популярністю у протилежної статі тощо. Їхні гени переходили з покоління в покоління, в тому числі і ген, що забезпечує високий рівень BDNF. Білок спочатку працював у м’язах, допомагаючи рости нервам у них (слідом за посиленням м’язової тканини повинна була посилитися і її іннервація). Однак потім надлишок BDNF дістався до мозку, і він різко «пішов у зріст». Звичайно, були й інші важливі еволюційні фактори, які зробили людину «мозковитою», але зв’язок м’язів і мозку через BDNF цілком міг зіграти свою роль.

З часом у гена, що кодує BDNF, стали з’являтися нові варіанти, і зараз ефект від нейротропного фактора, швидше за все, буде залежати від того, в якому саме вигляді ген BDNF дістався індивідууму. У цього гена є особливий варіант, який можна знайти приблизно у 30% людей, — у його носіїв деякі зони мозку менше, ніж у інших, а сама людина більш схильна до психоневрологічних і нейродегенеративних хвороб. Дослідники з Міланського університету виявили, що якщо в геномі є такий особливий ген BDNF, то фізичні вправи не діють проти стресу і тривожності. (З огляду на роль білка BDNF у мозку, не дивно, що від нього залежить і стресова реакція.) Втім, фізичні вправи впливають на активність цілого ряду генів у мозку, багато з яких не мають прямого відношення до синапсів і передачі нейронних імпульсів. Тож доведеться почекати, поки дослідники отримають повну картину того, як м’язи діють на мозок, хоча почати займатися спортом можна вже прямо зараз.